磁電式傳感器

1、磁電式傳感器基本概念：磁電式傳感器是利用電磁感應原理，將輸入運動速度變換成感應電勢輸出的傳感器。它能把被測對象的機械能轉(zhuǎn)換成易于測量的電信號，是一種有源傳感器。工作原理：磁電式傳感器是基于電磁感應原理,通過磁電相互作用將被測量(如振動、位 移、轉(zhuǎn)速等)轉(zhuǎn)換成感應電動勢的傳感器，它也被稱為感應式傳感器、電動式傳感器。根據(jù)電磁感應定律，N匝線圈中的感應電動勢。感應電動勢的大小由磁通的變化率決定。磁通量協(xié)的變化可以通過很多辦法來實現(xiàn):如磁鐵與線圈之間作相對運動;磁路中磁阻變化;恒定磁場中線圈面積變化等。因此可以制造出不同類型的磁電式傳感器。磁電式傳感器是一種機一電能量變換型傳感器，不需要供電電源，電

2、路簡單，性能穩(wěn)定，輸出信號強，輸出阻抗小，具有一定的頻率響應范圍，適合于振動、轉(zhuǎn)速、扭矩等測量。但這種傳感器的尺寸和重量都較大。 恒定磁通磁電式傳感器由永久磁鐵(磁鋼)、線圈、彈簧、金屬骨架和殼體等組成。系統(tǒng)產(chǎn)生恒定直流磁場，磁路中工作氣隙是固定不變的，因而氣隙中的磁通也是恒定不變的。它們的運動部件可以是線圈，又可分為圈式或動鐵式兩種結(jié)構(gòu)類型。恒磁通磁電式傳感器結(jié)構(gòu)原理圖磁鐵與傳感器殼體固定，線圈和金屬骨架(合稱線圈組件)用柔軟彈簧支承。線圈組件與殼體固定，永久磁鐵用柔軟彈簧支承。兩者的阻尼都是由金屬骨架和磁場發(fā)生相對運動而產(chǎn)生的電磁阻尼。動圈式和動鐵式的工作原理是完全相同的，當殼體隨被測振動

3、體 一起振動時，由于彈簧較軟，運動部件質(zhì)量相對較大，因此振動頻率足夠高(遠高于傳感器的固有頻率)時，運動部件的慣性很大，來不及跟隨振動體一起振動，近于靜止不動，振動能量幾乎全被彈簧吸收，永久磁鐵與線圈之間的相對運動速度接近于振動體振動速度。線圈與磁鐵間相對運動使線圈切割磁力線，產(chǎn)生與運動速度成正比的感應電動勢，線圈處于工作氣隙磁場中的匝數(shù)，稱為工作匝數(shù);工作氣隙中磁感 應強度;每匝線圈的平均長度。 這類傳感器的基型是速度傳感器，能直接測量線速度。因為速度與位移和加速度之間有內(nèi)在的聯(lián)系，即它們之間存在著積分或微分關系。因此，如果在感應電動勢的測量電路中接入一積分電路，則它的輸出就與位移成正比;如

4、果在測量電路中接人一微分電路，則它的輸出就與運動的加速度成正比。這樣，這類磁電式傳感器就可以用來測量運動的位移或加速度。工作特性：磁電感應式傳感器工作時不需要外加電源，可直接將被測物體的機械能轉(zhuǎn)換為電量輸出。是典型的無源傳感器。 輸出功率大，穩(wěn)定可靠，可簡化二次儀表，但頻率響應低。通常在10100HZ適合作機械振動測量、轉(zhuǎn)速測量。傳感器尺寸大、重?；魻栐哂薪Y(jié)構(gòu)簡單、體積小、動態(tài)特性好和壽命長的優(yōu)點, 它不僅用于磁感應強度, 有功功率及電能參數(shù)的測量, 也在位移測量中得到廣泛應用分類情況：（狹義）1. 變磁通式和恒磁通式 變磁通式：開路變磁通式和閉路變磁通式恒磁通式：動圈式磁電傳感器（角速度

5、型和線速度型）和動鐵式磁電傳感器（廣義）2. 一般分為兩種：（1）磁電感應式（2）霍爾式磁電感應式磁電感應式傳感器又稱磁電式傳感器, 是利用電磁感應原理將被測量（如振動、位移、轉(zhuǎn)速等）轉(zhuǎn)換成電信號的一種傳感器。 它不需要輔助電源就能把被測對象的機械量轉(zhuǎn)換成易于測量的電信號, 是有源傳感器。由于它輸出功率大且性能穩(wěn)定, 具有一定的工作帶寬（101000 Hz）, 所以得到普遍應用。利用霍爾效應霍爾效應是電磁效應的一種，當電流垂直于外磁場通過導體時，載流子發(fā)生偏轉(zhuǎn)，垂直于電流和磁場的方向會產(chǎn)生一附加電場，從而在導體的兩端產(chǎn)生電勢差，這一現(xiàn)象就是霍爾效應，這個電勢差也被稱為霍爾電勢差?；魻栃獞褂?/p>

6、左手定則判斷。UH=RHBId技術(shù)參數(shù)傳感器測量范圍（kHz）感應對象檢測距離（mm）應用場合磁敏傳感器010鐵、電工鋼0.51.5速度、位移磁電傳感器505000Hz電工鋼0.51速度霍爾傳感器010磁鐵15速度、位移光電傳感器010自然光、紅外光115速度、位移接近開關0200Hz金屬15速度、位移如何選擇磁電式傳感器直接輸出感應電動勢，且傳感器通常具有較高的靈敏度，不需要高增益放大器。但磁電式傳感器是速度傳感器，若要獲取被測位移或加速度信號，則需要配用積分或微分電路。磁電感應式傳感器工作時不需要外加電源，可直接將被測物體的機械能轉(zhuǎn)換為電量輸出。是典型的無源傳感器。 輸出功率大，穩(wěn)定可靠，

7、可簡化二次儀表，但頻率響應低。傳感器尺寸大、重。 霍爾元件具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、動態(tài)特性好和壽命長的優(yōu)點, 它不僅用于磁感應強度, 有功功率及電能參數(shù)的測量, 也在位移測量中得到廣泛應用。實現(xiàn)乘法運算，構(gòu)成各種非線性運算部件，輸出信號的信噪比大，頻率范圍寬：直流 數(shù)百千赫茲。安裝使用磁電感應式傳感器的應用：1. 動圈式振動速度傳感器 如圖是動圈式振動速度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。 其結(jié)構(gòu)主要由鋼制圓形外殼制成, 里面用鋁支架將圓柱形永久磁鐵與外殼固定成一體, 永久磁鐵中間有一小孔, 穿過小孔的芯軸兩端架起線圈和阻尼環(huán), 芯軸兩端通過圓形膜片支撐架空且與外殼相連。 工作時, 傳感器與被測物體剛性連接,

8、當物體振動時, 傳感器外殼和永久磁鐵隨之振動, 而架空的芯軸、線圈和阻尼環(huán)因慣性而不隨之振動。 因而, 磁路空氣隙中的線圈切割磁力線而產(chǎn)生正比于振動速度的感應電動勢, 線圈的輸出通過引線輸出到測量電路。 該傳感器測量的是振動速度參數(shù), 若在測量電路中接入積分電路, 則輸出電勢與位移成正比; 若在測量電路中接入微分電路, 則其輸出與加速度成正比。2. 磁電式扭矩傳感器 如圖是磁電式扭矩傳感器的工作原理圖。 在驅(qū)動源和負載之間的扭轉(zhuǎn)軸的兩側(cè)安裝有齒形圓盤, 它們旁邊裝有相應的兩個磁電傳感器。磁電傳感器的結(jié)構(gòu)見圖所示。 傳感器的檢測元件部分由永久磁場、感應線圈和鐵芯組成。 永久磁鐵產(chǎn)生的磁力線與齒形

9、圓盤交鏈。當齒形圓盤旋轉(zhuǎn)時, 圓盤齒凸凹引起磁路氣隙的變化, 于是磁通量也發(fā)生變化, 在線圈中感應出交流電壓, 其頻率等于圓盤上齒數(shù)與轉(zhuǎn)數(shù)乘積。 當扭矩作用在扭轉(zhuǎn)軸上時, 兩個磁電傳感器輸出的感應電壓u1和u2存在相位差。這個相位差與扭轉(zhuǎn)軸的扭轉(zhuǎn)角成正比。 這樣傳感器就可以把扭矩引起的扭轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)換成相位差的電信號。 霍爾傳感器的應用：必須關注的問題當傳感器的工作溫度發(fā)生變化或受到外界磁場干擾、 機械振動或沖擊時, 其靈敏度將發(fā)生變化而產(chǎn)生測量誤差。1.非線性誤差 磁電式傳感器產(chǎn)生非線性誤差的主要原因是: 由于傳感器線圈內(nèi)有電流I流過時, 將產(chǎn)生一定的交變磁通I, 此交變磁通疊加在永久磁鐵所產(chǎn)生的

10、工作磁通上, 使恒定的氣隙磁通變化。當傳感器線圈相對于永久磁鐵磁場的運動速度增大時, 將產(chǎn)生較大的感生電勢E和較大的電流I, 由此而產(chǎn)生的附加磁場方向與原工作磁場方向相反, 減弱了工作磁場的作用, 從而使得傳感器的靈敏度隨著被測速度的增大而降低。為補償上述附加磁場干擾, 可在傳感器中加入補償線圈, 如圖7 - 2（a）所示。 補償線圈通以經(jīng)放大K倍的電流, 適當選擇補償線圈參數(shù), 可使其產(chǎn)生的交變磁通與傳感線圈本身所產(chǎn)生的交變磁通互相抵消, 從而達到補償?shù)哪康摹?2. 溫度誤差當溫度變化時, 式中右邊三項都不為零, 對銅線而言每攝氏度變化量dL/L0.16710-4, dR/R0.4310-2

11、 , dB/B每攝氏度的變化量取決于永久磁鐵的磁性材料。對鋁鎳鈷永久磁合金, dB/B-0.0210-2, 這樣由式(7 - 7)可得近似值: t(-4.5%)/10 3.霍爾傳感器的選用注意事項1） 磁場測量。如果被測磁場精度較高，如優(yōu)于0.5%那么通常選用砷化鎵霍爾元件，其靈敏度高，約為5-10mv /100mT。溫度誤差可以忽略不計，且材料性能好，可以做的體積較小。在被測磁場精度較低，體積要求不高時，最好選用硅化鍺霍爾元件。2） 電流測量。大部分霍爾元件可以用于電流測量，要求精度較高時，選用砷化鎵霍爾元件，精度不高時，可以選用砷化鎵、硅、鍺等霍爾元件。3） 轉(zhuǎn)速和脈沖測量。測量轉(zhuǎn)速和脈沖時，通常是選用集成霍爾開關和銻化銦霍爾元件愛按。如在錄像機和攝像機